CN105928605B - 一种检测水中声场信息的方法、装置及水下声传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测水中声场信息的方法、装置及水下声传感器，检测方法包括以下步骤，1)选取光谱宽度在25nm以上，光强在1mW以上的光源，将其发出的光处理为高斯光；2)将所述高斯光通过第一偏振片，然后分光处理为水平和垂直偏振的两个光分量，将其中一个光分量由探测臂光纤接收，将另一个光分量由参考臂光纤接收；3)将所述探测臂光纤内反射回的光分量和所述参考臂光纤内反射回的光分量进行耦合，然后通过第二偏振片后出射；4)通过光谱仪记录所述出射光在所述探测臂光纤的探头在水中探测到声波前后的光谱中心波长变化；5)根据所述光谱中心波长变化计算水中声场的声压大小。本发明具有较高的检测灵敏度、能测较弱的声场。

Description

一种检测水中声场信息的方法、装置及水下声传感器

【技术领域】

本发明涉及海洋声检测技术领域，特别是涉及一种检测水中声场信息的方法、装置及水下声传感器。

【背景技术】

海洋探测技术中水下声探测主要是探测水中声波的声压大小。现有的水下声传感器一般是通过一些对压力或者振动比较敏感的材料制成，其检测灵敏度和精度可满足一定的应用场景，但如果水中声场的声压较低时，对声压值的检测效果不是十分理想。总体来说，现有的检测水中声场的声压大小的方案，其灵敏度、精度以及检测下限还需不断提高。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种检测水中声场信息的方法、装置及水下声传感器，具有较高的检测灵敏度、能测较弱的声场。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种检测水中声场信息的方法，包括以下步骤，1)选取光谱宽度在25nm以上，光强在1mW以上的光源，将其发出的光处理为高斯光；2)将所述高斯光通过第一偏振片，然后分光处理为水平和垂直偏振的两个光分量，将其中一个光分量由探测臂光纤接收，将另一个光分量由参考臂光纤接收；所述探测臂光纤和所述参考臂光纤等长；3)将所述探测臂光纤内反射回的光分量和所述参考臂光纤内反射回的光分量进行耦合，然后通过第二偏振片后出射；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夹角在85°～95°的范围内，且不为90°；4)通过光谱仪记录所述出射光在所述探测臂光纤的探头在水中探测到声波前后的光谱中心波长变化；5)根据所述光谱中心波长变化计算水中声场的声压大小。

一种检测水中声场信息的装置，包括光源、光处理器件、第一偏振片、偏振分光棱镜、探测臂光纤、参考臂光纤、光谱仪和处理单元；所述光源的光谱宽度在25nm以上，光强在1mW以上；所述光处理器件用于将所述光源发出的光处理为高斯光；所述高斯光通过第一偏振片，然后由所述偏振分光棱镜进行分光处理为水平和垂直偏振的两个光分量，其中一个光分量由所述探测臂光纤接收，另一个光分量由所述参考臂光纤接收；所述探测臂光纤和所述参考臂光纤等长；所述探测臂光纤和所述参考臂光纤还用于将其内传输的光分量反射回所述偏振分光棱镜进行耦合，耦合后的光通过所述第二偏振片后出射；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夹角在85°～95°的范围内，且不为90°；所述光谱仪用于记录所述出射光在所述探测臂光纤的探头在水中探测到声波前后的光谱中心波长变化；所述处理单元用于根据所述光谱中心波长变化计算水中声场的声压大小。

一种用于如上所述的装置中的水下声传感器，所述水下声传感器包括探测臂光纤和参考臂光纤，所述探测臂光纤和参考臂光纤均包括光纤和探头，所述探头包括四分之一波片和反射镜；所述四分之一波片的光轴与竖直方向的夹角为45°，所述四分之一波片设置在光纤的一个端面和所述反射镜之间；所述反射镜用于响应水中声波。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的检测水中声场信息的方法，光信号通过偏振分光处理分得水平偏振和垂直偏振的两束光分别作为测量光和参考光，分别由两臂光纤接收。光在光纤内传输后反射回，两臂上传输的两个光分量的相位差反映声波大小信息。配合入射端设置的前选择偏振片，以及与入射端前选择偏振片的偏振方向接近垂直的一个后选择偏振片进行弱测量放大处理，将相位差信息反映到出射光谱的中心波长移动上。通过测得出射光谱的中心波长变化，就可以得到待探测的声压值。由于通过弱测量放大，因此可将相位的微弱信息放大处理，从而可实现更高灵敏度的声压检测，可对低声压的测量极限更高，能测更弱的声场。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式的检测水中声场信息时涉及的弱测量的原理示意图；

图2是本发明具体实施方式的检测水中声场信息的装置的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式中声场引起的两臂相位差变化图；

图4是本发明具体实施方式中出射光的光谱中心波长随相位差变化而移动的状态示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的构思是：设计了基于光干涉的弱测量系统，用光的偏振作为系统的本征态，而高斯光束作为指针进行探测。弱值通常是一个复数，其实部代表时间信息(时域)，而虚部则代表相位信息(频域)。本发明选择灵敏度较高的频域弱测量的方式，来测本征态的相位变化。本发明中，用于干涉的两偏振光分量用偏振分光棱镜分开，这样分得的水平偏振和垂直偏振的两束光分量分别作为测量光和参考光。在探测臂上的探头随着声波而振荡，从而使得两臂的光程差发生变化，而引起两个偏振光分量之间的相位差。配合入射端的偏振片作为前选择态，以及一个与入射端的前选择偏振片的偏振方向接近垂直的一个偏振片作为后选择态，进行弱测量放大处理，可以将相位信息反映到出射光谱的中心波长移动上。通过测得出射光谱的中心波长周期性振荡，从而得到待探测的声压值以及频率信息。为了方便进行水下声探测，本发明中设计了光纤式的迈克尔逊干涉，探测臂的光纤探头可以被浸入水中进行声传感检测。

本具体实施方式的检测水中声场信息的方法，包括以下步骤，

1)选取光谱宽度在25nm以上，光强在1mW以上的光源，将其发出的光处理为高斯光。

2)将所述高斯光通过第一偏振片，然后分光处理为水平和垂直偏振的两个光分量，将其中一个光分量由探测臂光纤接收，将另一个光分量由参考臂光纤接收；所述探测臂光纤和所述参考臂光纤等长。

3)将所述探测臂光纤内反射回的光分量和所述参考臂光纤内反射回的光分量进行耦合，然后通过第二偏振片后出射；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夹角在85°～95°的范围内，且不为90°。

该步骤中，第一偏振片和第二偏振片偏振方向的夹角在85°～95°的范围内，且不为90°，即两个偏振态趋于相互垂直，从而构建弱测量系统。弱测量的核心是待测物理量对系统产生一个微扰，这个微扰可以使得系统与探测仪器产生一个弱耦合，这样经过测量后系统的本征态会被分开而又不至于塌缩到其中的一个本征态。弱测量是将系统本征态分开的一个物理过程，用一个指针态进行测量后，指针中蕴含的读数称为弱值。

具体地，弱测量原理如图1。系统的初态|ψ_i＞＝α|0＞+β|1＞，引入指针态g(x)和时间演化算符U＝e^-iHΔt,H＝χPA，平移算符经过弱测量的物理过程后，系统的态将演化为|Ψ＞＝U|g(x)＞|ψ_i＞＝e^-iχPAΔt|g(x)＞(α|0＞+β|1＞)＝α|g₊(x)＞|0＞+β|g_-(x)＞|1＞，其中本征态|g_±＞＝|g(x±τ)＞,τ＝χΔt。由此看出，当我们探测的量对系统进行微扰之后，系统的本征态产生了τ的分离，通过测得这个τ的值，我们就可以得到我们要探测的物理信息。然而，τ的值小到不能使本征态完全分开(否则就为量子强测量，系统将塌缩到其中一个本征态)，因此需要将τ进行放大后通过其他的物理量间接测出。引入后选择态，|ψ_f＞＝μ|0＞+v|1＞，则投影在后选择态测量后得到的态为取一级近似，得到 因此，在最后测量的指针态中蕴含了一个被称之为弱值，弱值越大，物理量τ被放大的倍数越高。可以看出，弱值的公式中，分母表示前选择与后选择态的内积，两个态越趋近于正交，弱值就越大。因此，可以通过调节两个态之间的夹角关系来控制放大倍数。

本具体实施方式的方案中，采用光的偏振作为系统的本征态。无论两个偏振片怎么设置，第一个偏振片的状态对应前选择态|ψ_i＞，第二个偏振片的状态对应后选择态|ψ_f＞。根据弱值公式当两个态越趋于垂直，弱值的分母就越趋于0，则弱值就越大。弱值与最终直接测量的量是密切相关的，弱值越大最终测得的量就越大，就相当于将原来直接测不到的量被放大的倍数越高。

4)通过光谱仪记录所述出射光在所述探测臂光纤的探头在水中探测到声波前后的光谱中心波长变化。

5)根据所述光谱中心波长变化计算水中声场的声压大小。

具体地，当探测臂上的探头在水中探测到声波后，会随着声波而振荡，从而使得探测臂和参考臂的光程差发生变化，引起其中传输的两个偏振光分量之间的相位差。该相位差通过两个偏振片构成的弱测量系统放大，体现在出射光的光谱中心波长的移动变化。本具体实施方式中，光谱中心波长移动变化δλ与两个偏振光分量之间的相位差的关系式为：

其中，λ₀表示光源的中心波长，Δλ表示光源的带宽；γ＝cosα sin(α+β)/sinαcos(α+β)，其中，α为第一偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角，π/2+β为第二偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角；x为标定的初始相位。

当光谱仪检测到光谱中心波长移动变化δλ时，结合相关参数，代入上式，即可计算得到两个光分量的相位差然后根据两个光分量的相位差与声压大小P₀的关系，可计算得到声压大小P₀的值。具体地，两者之间的关系为：

其中，表示所述两个光分量的相位差；λ₀表示所述光源的中心波长；n为水的折射率；χ表示探测臂光纤内进行光反射时位移对声波振动的响应参数；ω为所述光谱中心波长变化的周期性变化频率，可从一段时间内测量到的光谱中心波长移动变化δλ相对于时间的变化曲线中得到。根据该式，即可根据相位差计算出声压大小。

此外，出射光谱中心波长是随着声场周期性振荡的，因此其周期性振荡频率也揭示了声场的频率信息。优选地，根据所述光谱中心波长变化δλ的周期性变化频率确定得到水中声场的频率信息，从而本具体实施方式不仅仅可检测得到水中声场的声压大小的信息，还能检测得到声场的频率信息。

如图2所示，为本具体实施方式中检测水中声场信息的装置的结构示意图。装置包括光源、光处理器件、第一偏振片、偏振分光棱镜、探测臂光纤、参考臂光纤、光谱仪和处理单元。

光源的光谱宽度在25nm以上，光强在1mW以上。本具体实施方式中选择宽带、高亮度、高稳定性的SLD光源，中心波长为840nm。光源发出的光经过光处理器件(即图中的高斯滤光片1)成为高斯光束而作为探测指针。第一个偏振片2用来对入射光进行前选择，选择出需要的初态。这个偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角为α。偏振分光棱镜(polarizedbeam splitter，简称PBS)将入射光分成水平和垂直偏振的两个光分量，经过两个相同长度的保偏光纤8和9传播后，被其端口处的反射镜5和7反射回PBS进行再次耦合。为了使得两束反射光经过PBS耦合后从与入射光传播方向垂直的另一面出射，在两个光纤端口处的探头中，反射镜与光纤端面之间安装有一个光轴与竖直方向夹角为45°的四分之一波片4和6。在光束被耦合进光谱仪之前用第二偏振片3进行后选择，第二偏振片3与竖直方向的夹角为π/2+β。第二偏振片3和第一偏振片2的偏振方向接近于垂直。具体地，接近垂直为两个偏振方向的夹角在85°～95°的范围内，且不为90°。

图2的装置中，光源出口、高斯滤光片1、偏振分光棱镜PBS以及两个偏振片2和3可按照调节好的位置封装在一起。探测臂光纤和参考臂光纤可构成水下声传感器。

检测装置工作时，探测臂光纤的探头被声波振动之后会与参考臂光纤产生相位差其中，n为水的折射率。Δl为声压产生的振动位移，Δl＝χP₀cos(ωt)，χ为装置中反射镜的位移对声波振动的响应参数。具体地，将反射镜固定好之后，通过给一个已知信息的振动，测得反射镜的位移随振动的响应曲线作为定标曲线，即可得到该响应参数。P＝P₀cos(ωt)为声波振幅，ω为声波频率。根据上述关系，两束偏振光之间的相位差随着声场会产生周期性变化，如图3。也因此，光谱中心波长变化δλ也是随着声场周期性变化的，从光谱仪记录的光谱中心波长变化随时间的周期性变化曲线即可直接得到该频率值。

利用两个偏振片构成的频域弱测量的方法，两束偏振光之间的相位差经过弱值放大之后体现在出射光谱的中心波长的移动其中，ImΑ_w代表弱值的虚部，其中γ＝cosαsin(α+β)/sinαcos(α+β)，x为标定得到的系统的初始相位差。

因此，当声压使得两个臂的相位差发生改变的时候，出射光谱的中心会发生变化，如图4。图4中显示了选取的5个时刻下测得的波长移动的情况。通过测量探测臂光纤的探头在水中探测到声波前后的出射光的光谱的中心波长移动，结合上述相位差与光谱中心波长移动的关系式，以及相位差与声压大小之间的关系，可以测到水中声压的大小。

本具体实施方式中的检测水中声场信息的方法及装置，基于弱测量测两偏振分量的相位差的方式来实现声传感检测，光纤式的检测系统可以进行水下探测。由于弱测量对微小相位的灵敏反应，本具体实施方式中的检测方法和检测装置可以探测极小声压的声场，实现新的声压探测下限，而且具有高精度。光纤式的检测装置方便进行水下探测，实现低压水声检测，尤其适用于海洋声检测领域，具有巨大的应用前景。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种检测水中声场信息的方法，其特征在于：包括以下步骤，1)选取光谱宽度在25nm以上，光强在1mW以上的光源，将其发出的光处理为高斯光；2)将所述高斯光通过第一偏振片，然后分光处理为水平和垂直偏振的两个光分量，将其中一个光分量由探测臂光纤接收，将另一个光分量由参考臂光纤接收；所述探测臂光纤和所述参考臂光纤等长；3)将所述探测臂光纤内反射回的光分量和所述参考臂光纤内反射回的光分量进行耦合，然后通过第二偏振片后出射；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夹角在85°～95°的范围内，且不为90°；4)通过光谱仪记录所述出射光在所述探测臂光纤的探头在水中探测到声波前后的光谱中心波长变化；5)根据所述光谱中心波长变化计算水中声场的声压大小。

2.根据权利要求1所述的检测水中声场信息的方法，其特征在于：步骤5)中，根据出射光的光谱中心波长变化计算出两个光分量的相位差，然后根据所述相位差计算出所述声压大小。

3.根据权利要求2所述的检测水中声场信息的方法，其特征在于：根据如下式子计算出所述两个光分量的相位差 其中，光谱仪测出的光谱中心波长变化为δλ，将所述光源的中心波长作为λ₀，将所述光源的带宽作为Δλ；γ＝cosαsin(α+β)/sinα cos(α+β)，其中，α为所述第一偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角，π/2+β为所述第二偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角；x为标定的初始相位。

4.根据权利要求2所述的检测水中声场信息的方法，其特征在于：根据如下式子由所述两个光分量的相位差计算出所述声压大小P₀：其中，表示所述两个光分量的相位差；λ₀表示所述光源的中心波长；n为水的折射率；χ表示探测臂光纤内进行光反射时位移对声波振动的响应参数；ω为所述光谱中心波长变化的周期性变化频率。

5.根据权利要求1所述的检测水中声场信息的方法，其特征在于：还包括步骤6)，根据所述光谱中心波长变化的周期性变化频率确定得到水中声场的频率信息。

6.根据权利要求1所述的检测水中声场信息的方法，其特征在于：步骤1)中，所述光源为SLD光源。

7.一种检测水中声场信息的装置，其特征在于：包括光源、光处理器件、第一偏振片、偏振分光棱镜、探测臂光纤、参考臂光纤、光谱仪和处理单元；所述光源的光谱宽度在25nm以上，光强在1mW以上；所述光处理器件用于将所述光源发出的光处理为高斯光；所述高斯光通过第一偏振片，然后由所述偏振分光棱镜进行分光处理为水平和垂直偏振的两个光分量，其中一个光分量由所述探测臂光纤接收，另一个光分量由所述参考臂光纤接收；所述探测臂光纤和所述参考臂光纤等长；所述探测臂光纤和所述参考臂光纤还用于将其内传输的光分量反射回所述偏振分光棱镜进行耦合，耦合后的光通过第二偏振片后出射；所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夹角在85°～95°的范围内，且不为90°；所述光谱仪用于记录所述出射光在所述探测臂光纤的探头在水中探测到声波前后的光谱中心波长变化；所述处理单元用于根据所述光谱中心波长变化计算水中声场的声压大小。

8.根据权利要求7所述的检测水中声场信息的装置，其特征在于：所述处理单元用于根据出射光的光谱中心波长变化计算出两个光分量的相位差，然后根据所述相位差计算出所述声压大小。

9.根据权利要求7所述的检测水中声场信息的装置，其特征在于：所述光处理器件为高斯滤光片。

10.一种用于权利要求7-9任一项所述的装置中的水下声传感器，其特征在于：所述水下声传感器包括探测臂光纤和参考臂光纤，所述探测臂光纤和参考臂光纤均包括光纤和探头，所述探头包括四分之一波片和反射镜；所述四分之一波片的光轴与竖直方向的夹角为45°，所述四分之一波片设置在光纤的一个端面和所述反射镜之间；所述反射镜用于响应水中声波。